Structural states associated with the power stroke of myosin heads in muscle [Elektronische Ressource] : a 2D-X-ray diffraction study / von Ante Radocaj
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Structural states associated with the power stroke of myosin heads in muscle: a 2D-X-ray diffraction study Von der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover zur Erlangung des Grades Doktor der Naturwissenschaften Dr. rer. nat. genehmigte Dissertation von Dipl.-Phys. Ante Radocaj geboren am 18.05.1962 in Sibenik, Kroatien 2007 Referent: Prof. Dr. Walter Müller Koreferent: Prof. Dr. Bernhard Brenner Tag der Promotion: 19.

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Published 01 January 2007
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Structural states associated with the
power stroke of myosin heads in muscle:
a 2D-X-ray diffraction study









Von der Naturwissenschaftlichen Fakultät der
Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
zur Erlangung des Grades
Doktor der Naturwissenschaften
Dr. rer. nat.
genehmigte Dissertation
von
Dipl.-Phys. Ante Radocaj
geboren am 18.05.1962 in Sibenik, Kroatien

2007














Referent: Prof. Dr. Walter Müller
Koreferent: Prof. Dr. Bernhard Brenner
Tag der Promotion: 19. Februar 2007

2 Table of contents
Table of contents

Table of contents 3
Summary 5
Zusammenfassung 7
Keywords / Stichworte 9
List of abbreviations 10
Introduction 12
The sliding filament model of muscle contraction 13
Transitions between different structural states of the cross-bridge 15
ATP-hydrolysis and the cross-bridge cycle 18
Suitable methods to elucidate conformational changes of the cross-bridge 19
Mechanical experiments 20
Protein X-ray-crystallography 21
Electron microscopy 23
X-ray fiber diffraction 23
Other investigative methods 36
Conformational changes of the myosin head 37
Current concepts of the cross-bridge cycle 39
The question at hand 40
Materials and methods 42
Single fiber preparation 42
Mounting and length control 43
Solutions 43
Experimental protocols 45
Time-resolved experiments at the European Synchrotron Radiation Facility
(ESRF), Grenoble, France 45
Static patterns recorded at the Synchrotron Radiation Source (SRS), Daresbury,
UK 53
Intensity profiles along the sixth actin layer line 54
3 Table of contents
Results 56
Two-dimensional X-ray diffraction patterns 56
I /I 59 1,1 1,0
ALL1 61
ALL6 65
Discussion 69
Tension trace indicates structural transition during ramp-shaped releases 69
Two-dimensional X-ray diffraction patterns show no appearance of rigor features
after the pause in the tension decrease during ramp-shaped releases 70
Redistribution of masses between myosin and actin filaments 71
Number of stereospecifically attached cross-bridges 72
Structural changes of the cross-bridges 73
Consequences 76
Outlook 79
References 80
Appendix 89
Origin fit functions 89
X-ray diffraction in a nutshell 91
Acknowledgements 103
Curriculum vitae 104
4 Summary
Summary
Muscle contraction is driven by the cyclic interaction of myosin heads with actin
filaments due to the hydrolysis of ATP. Isometric force is generated by elastic distortion
of myosin heads when they change from their states of weak binding to actin to the
strongly attached form. During a length release of activated muscle fibers, further
structural changes become favored as myosin heads go forward in their working cycle.
The power stroke of each myosin head comprises a series of states while the myosin
head is strongly bound to actin. The last state of the power stroke is the nucleotide-free,
rigor state of the myosin head. After this, the myosin head detaches from actin while
binding a new ATP molecule.
In order to explore the structure and function of states occurring later in the power
stroke, we applied small ramp-shaped releases to isometrically contracting muscle fibers
from rabbit psoas muscle. The accumulation of these later states was monitored by fiber
tension recorded during the ramp-shaped releases. Before and during the ramp-shaped
releases diffraction patterns from the fibers were recorded using high-brilliance
synchrotron radiation at the ESRF in Grenoble and the RAPID detector developed at the
SRS in Daresbury. This allowed us to record "snapshots" within very short time frames
of 2 to 4 ms. For comparison, diffraction patterns were taken from the same fibers in
relaxing as well as in rigor condition. Features that are sensitive to the rigor or rigor-like
structure of the myosin head were analyzed in the time-resolved diffraction patterns
recorded at the ESRF in Grenoble as well as in static diffraction patterns that were
recorded at the SRS in Daresbury from fibers incubated in the presence of different
concentrations of MgATPγS. The latter diffraction patterns served as a model for the
behavior of features on the diffraction patterns when different proportions of myosin
heads are in rigor while the other myosin heads are weakly attached to actin.
Our data show that a redistribution of myosin heads occurs during the ramp-shaped
release. States that occur later in the power stroke are thereby populated with a larger
number of myosin heads, while the total number of myosin heads stereospecifically
attached to actin remains constant. Even though later states were increasingly populated,
no accumulation of rigor-like states was detectable. Model calculations show that the
intensity distribution along the sixth actin layer line is sensitive to structural changes
within the myosin head. We demonstrated that the distinct profile of the sixth actin layer
line observed after increasing the population of later states in the power stroke by
5 Summary
application of a ramp-shaped release can not result from changes in a mixture of myosin
heads in rigor and in states of weak binding to actin. Our data indicate that myosin
heads are accumulated in a state, which has to be substantially different from the rigor-
like structure of the myosin head. This state of the myosin head has not been
structurally characterized yet. It could correspond to a state before or shortly after the
release of inorganic phosphate (P ) from its binding site in the myosin head, as other i
later states in the power stroke show rigor features in diffraction patterns.
6 Zusammenfassung
Zusammenfassung
Muskelkontraktion wird durch die zyklische Interaktion von Myosinköpfen mit
Aktinfilamenten als Folge der Hydrolyse von ATP generiert. Isometrische Kraft entsteht
durch die elastische Verformung der Myosinköpfe beim Übergang von Zuständen mit
schwacher Bindung an Aktin zu stark gebundenen Zuständen. Während einer
Verkürzung von aktivierten Muskelfasern werden weitere strukturelle Änderungen
bevorzugt während die Myosinköpfe in ihrem Arbeitszyklus voranschreiten. Der
Kraftschlag eines jeden Myosinkopfs besteht aus einer Serie von Zuständen, während
welcher der Myosinkopf stark an Aktin gebunden ist. Der letzte Zustand des
Kraftschlags ist der nukleotidfreie Rigor-Zustand des Myosinkopfs. Danach löst sich
der Myosinkopf von Aktin, während er ein neues ATP-Molekül bindet.
Um die Struktur und Funktion von Zuständen zu erforschen, die später im Kraftschlag
auftreten, ließen wir kleine, rampenförmige Verkürzungen Muskelfasern aus dem
Psoasmuskel des Kaninchens in isometrischer Kontraktion zu. Die Anhäufung von
diesen späteren Zuständen wurde über die Spannung der Fasern während der
rampenförmigen Verkürzungen verfolgt. Vor und während der rampenförmigen
Verkürzungen wurden Beugungsbilder der Fasern mit hochintensiver
Synchrotronstrahlung am ESRF Grenoble mittels des am SRS Daresbury entwickelten
RAPID-Detektors aufgenommen. Dadurch war es uns möglich "Schnappschüsse" in
sehr kurzen Zeitabschnitten von 2 bis 4 ms aufzunehmen. Zum Vergleich wurden
Beugungsbilder der gleichen Fasern unter Relaxations- und Rigor-Bedingungen
aufgenommen. Merkmale, die für Rigor- oder rigorähnliche Strukturen empfindlich
sind, wurden sowohl auf den am ESRF Grenoble aufgenommenen zeitaufgelösten
Beugungsbildern als auch auf den am SRS Daresbury aufgenommenen statischen
Beugungsbildern von Fasern, die unter verschiedenen Konzentrationen von MgATPγS
inkubiert wurden, analysiert. Die letzteren Beugungsbilder dienten als Model für das
Verhalten von Merkmalen auf den Beugungsbildern, wenn sich unterschiedlich viele
Myosinköpfe im Rigor befinden, während die restlichen Myosinköpfe schwach an
Aktin gebunden sind.
Unsere Ergebnisse zeigen, daß es während der rampenförmigen Verkürzung zu einer
Umverteilung der Myosinköpfe kommt. Zustände, die später im Kraftschlag auftreten,
werden dabei mit einer größeren Anzahl an Myosinköpfen bevölkert, wobei die
7 Zusammenfassung
Gesamtzahl der stereospezifisch an Aktin gebundenen Myosinköpfe konstant bleibt.
Obwohl spätere Zustände stärker bevölkert wurden, konnte keine Anhäufung von
rigorähnlichen Zuständen festgestellt werden. Modelrechnungen zeigen, daß die
Intensitätsverteilung entlang der sechsten Aktinschichtlinie auf strukturelle Änderungen
innerhalb des Myosinkopfs empfindlich ist. Wir zeigten, daß das individuelle Profil der
sechsten Aktinschichtlinie, das nach Anhäufung von späteren Zuständen im Kraftschlag
mittels rampenförmiger Verkürzung registriert wurde, nicht durch Änderungen in der
Mischung von Myosinköpfen im Rigor und in schwach an Aktin gebundenen Zuständen
entstehen konnte. Unsere Resultate zeigen auf, daß Myosinköpfe in einem Zustand
angehäuft werden, der sich von der rigorähnlichen Struktur des Myosinkopfs wesentlich
unterscheiden muß. Dieser Zustand des Myosinkopfs wurde bisher noch nicht
strukturell charakterisiert. Er könnte einem Zustand vor oder kurz nach Abgabe von
anorganischem Phosphat (P ) von seiner Bindungsstelle am Myosinkopf entsprechen, da i
andere spätere Zustände im Kraftschlag Rigor-Merkmale auf den Beugungsbildern
zeigen.

8 Keywords / Stichworte
Keywords / Stichworte
Muscle contraction, cross-bridge, power stroke

Muskelkontraktion, Querbrücke, Kraftschlag
9 List of abbreviations
List of abbreviations
A actin
ADP adenosine-5’-diphosphate
AEBSF 4-(2aminoethyl)-benzylsulfonyl-fluoride
AlF aluminum fluoride 4
ALL1 first actin layer line
ALL5 fifth actin layer line
ALL6 sixth actin layer line
ALL7 seventh actin layer line
AM actomyosin complex
Ap A P1, P5-(di-adenosine 5‘)-pentaphosphate 5
ATP adenosine-5’-triphosphate
ATPase adenosine-5’-triphosphatase
ATPγS adenosine-5’-O-(3-thiotriphosphate)
a.u. arbitrary units
DTT DL-dithiothreitol
E64 N-(trans-epoxylsuccinyl-L-leucine-4-guanidinobutylamide)
EDTA ethylene diamine-N, N, N’, N’-tetra acetic acid
EGTA ethylene glycol-bis(-aminoethylether)-N,N,N’,N’-tetra acetic acid
EM electron microscopy
ESRF European Synchrotron Radiation Facility
F-actin filamentous actin (polymer)
G-actin globular actin (monomer)
h.s. half sarcomere
I /I ratio of equatorial 1,1 and 1,0 intensities 1,1 1,0
LMM light meromyosin
M myosin
M3 third myosin layer line (meridional reflection)
MgATP magnesium-adenosine-5’-triphosphate
MgATPγS magnesium-adenosine-5’-O-(3-thiotriphosphate)
MLL1 first myosin layer line
mM millimolar
10